Ефективні способи заведення кристалів

Якість  цукру значно залежить від його гранулометричного складу, тобто чим одно рідніші кристали та незначний вміст конгломератів (друз), тим менше на поверхності кристалів знаходиться плівки міжкристалевого розчину (”зеленої” патоки), а значить тим вища якість цукру. А гранулометричний склад, як і якість звареного утфелю суттєвим чином залежить (за інших однакових умов) від кількості заведених кристалів на першому етапі уварювання утфелю.

У виробничих умовах заведення кристалів здійснюється різноманітними способами за допомогою ”затравки”, в якості котрої може бути:

·   затравочна суміш - цукрова пудра з добавленням різноманітних компонентів (рослинного масла, глицерину, керосину та ін.) або отримана шляхом подрібнення цукру в спирті за допомогою спеціальних мельниць у вигляді суспензії кристалів або ж твердо пластичних паличок;

· маточний (затравочний) утфель – суспензія кристалів цукру з розмірами частинок близько 0,1 мм, отримана на додатковому обладнанні шляхом кристалізації пересиченого цукрового розчину (стандарт-сиропу) шляхом охолодження чи випаровування.  

Але окрім способу за ведення кристалів ефективність уварювання утфелів залежить від параметрів проведення процесу – температури та величини коефіцієнту пересичення (К_п). При цьому найважливішим параметром під час заведення кристалів є величина К_п, тому що між швидкістю кристалізації цукрози (V _к) та величиною К_п існує взаємозв’язок: V _к із збільшенням К_п росте до певної межі, а потім зменшується. Таке зменшення пояснюється утворенням нових центрів кристалізації, а чим більше нових центрів кристалізації, тим менше V _к.

Таким чином можна зробити висновок, що  найбільш швидка варка утфелю буде досягнута тоді, коли заведення кристалів здійснено за максимальної V _к. Тобто, в такому разі цукроза з пересиченого розчину буде викристалізовуватися на введених кристалах, а не випадати у вигляді нових кристалів. Крім цього, це буде сприяти утворенню більш рівномірних кристалів, тобто отриманню цукру кращого гранулометричного складу.

Найбільша швидкість утворення центрів кристалізації спостерігається в розчинах чистої цукрози, але за більшого К_п = 1,38, ніж в нечистих розчинах. Так, для сиропу з чистотою 92% величина максимуму знаходиться за К_п=1,22, а для сиропу з Ч=82,3% - за К_п=1,15. До того жкількість утворених центрів кристалізації за оптимально значення К_п в нечистих цукрових розчинах в декілька разів (5-7) менше, ніж в чистому цукровому розчині. Тому заведення кристалів бажано здійснювати на продукті (відтоку) з максимальною допустимою чистотою для утфелю даної кристалізації, тому що це забезпечить більш легке заведення кристалів.

Стосовно різниці між використанням в якості затравки цукрової пудри чи затравочної пасти з технологічної точки зору – її майже немає. Справа в тому, що частинки цукрової пудри являють собою уламки кристалів цукру, а тому попадаючи в розчин, вони спочатку добудовуються до нормальної форми кристалів, а потім відбувається їх подальший ріст. Оскільки добудова кристалів відбувається за більшої V _к, тому ефективність використання пудри чи пасти з точки зору тривалості уварювання утфелів практично одинакова. Разом з тим варто відмітити, що використання затравочних сумішей дозволяє отримати цукор кращого гранулометричного складу. Це пов’язано з тим, що введення чистих кристалів цукру різної величини (пудри) призводить до часткового розчинення дрібних уламків та підвищення локального К_п, що зумовлює до утворення нових центрів кристалізації менших розмірів. Введення ж затравочної суміші здійснюється за дещо вищих значеннях К_п, до того ж кожний кристалик покритий ззовні ліофобною речовиною, що не дозволяє миттєвому розчиненню та підвищенню К_п, а значить нові центри кристалізації майже не утворюються, а ростуть лише введені. Таким чином можна не тільки стабілізувати гранулометричний склад кристалів, але й прогнозувати величину кристалів в залежності від кількості введеної затравки.

Але заведення кристалів за допомогою затравочних сумішей має і свої недоліки. Справа в тому, що коли говорять про величину К_п, за якого відбувається заведення кристалів, то мають на увазі його середнє значення. В дійсності ж в апараті великого об’єму в різних його частинах величина К_п неоднакова, а в деяких місцях і взагалі може бути менше 1,0, що в свою чергу призведе до розчиненню частинок затравочної суміші та руйнуванню утворених центрів кристалізації.

Тому більш ефективним способом з точки зору покращання кристалоструктури утфелів є спосіб уварювання їх на кристалічній основі, в якості котрої може бути один із цукрі кристалізаційної схеми, готовий утфель або ж штучно приготовлений (маточний) утфель. Спосіб перетяжки утфелів та використання жовтих цукрів ІІ чи ІІІ кристалізацій відомі і давно застосовуються. А от маточний утфель вперше був впроваджений на цукровому заводі Бреда компанії CSM Suiker (Нідерланди) в 1976 р. сьогодні крім цього способу відомі також спосіб Брауншвейгський та Регенсбурський (Німеччина).

Для успішної роботи з маточним утфелем якість останнього повинна відповідати певним вимогам, а саме: встановлений середній розмір та коефіцієнт нерівномірності кристалів, мінімальний вміст конгломератів, а також технологічні показники – чистота, кольоровість, зольність та ін., що впливають на якість звареного потім цукру.

 Маточний утфель для І кристалізації повинен відповідати особливим вимогам, тому метод його підготовки достатньо складний і вимагає додаткового обладнання. Ідея його полягає в тому, що процес початкового

 

Рис.4. Апаратурно-технологічна схема роботи за Брауншвейським способом

кристалоутворення та закріплення кристалів виділяється із циклу отримання утфелю в окремий процес підготовки маточного утфелю.

Процес підготовки маточного утфелю включає три етапи:

· Попередня підготовка кристалічної затравочної суспензії у мішалці 1.0;

· Одержання кристалічної основи з середніми розмірами кристалів 100-120 мкм (0,1..0,12 мм) при охолодженні (мішалка-кристалізатор 1.1);

· Нарощування кристалів основи при випарюванні в окремому вакуум-апараті (2) до середнього розміру кристалів 300 мкм.

Суть Брауншвейгського методу полягає в наступному. Сироп доводиться у спеціальному випарному апараті до концентрації СР 75%, а потім, через проміжний резервуар, потрапляє в кристалізатор-охолоджувач (1.1), ступінь охолодження в якому регулюється контурами охолодження. При температурі біля 50°С пересичення досягає величини 1,1 і з відповідної мішалки подається підготовлена затравочна паста. Після охолодження отриманого продукту розмір кристалів досягає приблизно 0,1 -0,13 мм. Така кристалічна затравка може бут безпосередньо використана для одержання дрібнокристалічного утфелю, або спрямовується на подальшу обробку у вакуум-апарат (2), де розмір затравлювальних кристалів доводиться до 0,3 мм. Кристалічна затравочна суспензія по трубопроводах замкненого контуру з прийомної мішалки 3.1 насосом подається в мішалку 3.2, що встановлена на площадці в/а. Первинний набір у в/а необхідної кількості кристалічної основи (маточного утфелю) проводиться із трубопроводу, що з’єднує ці дві мішалки.

Створення якісної кристалічної затравки сприяє значному полегшенню процесу кристалізації, оскільки критичні фази утворення і нарощування кристалів відбуваються не в апараті для виробництва кінцевого продукту. Незважаючи на відносну складність одержання маточного утфелю, він має високі якісні показники (рівномірність кристалів, відсутність конгломератів), що дозволяє використовувати сиропи високої концентрації, збільшити продуктивність в/а, зменшити споживання пари та збільшити вихід кристалічного цукру з утфелю за рахунок більшої рівномірності кристалів, що сприяє зменшенню води на пробілювання. Виробничі дослідження показують, що впровадження такого способу уварювання утфелю забезпечує збільшення виходу кристалічного цукру з утфелю від 43 до 52%, зменшення витрат води на пробілювання з 2,6 до 1,8% до маси утфелю та зменшення витрат палива на 0,3% до кількості буряків.

Розрахунки показують, що застосування такого способу дозволяє на 20-30% збільшити продуктивність в/а І ступеня кристалізації та на 10-15% - ІІ і ІІІ ступенів,зменшити витрати пари та електроенергії в кристалізаційному відділенні на 10-15%, зменшити втрати цукру від термічного розкладу. В Україні вперше такий спосіб було впроваджено на Чортківському ц/з.